李慧麗 黃 偉 趙 恒

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

隨著船舶定位技術(shù)的發(fā)展，定位設(shè)備的種類越來越多，定位系統(tǒng)的種類越來越多，如全球定位系統(tǒng)（Global Position System，簡稱GPS）、羅蘭C無線電定位系統(tǒng)（Loran C）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，簡稱INS）、船位推算系統(tǒng)（Dead Reckoning System，簡 稱 DRS）、多 普 勒（Doppler）測速系統(tǒng)以及電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information Sys-tem，簡稱ECDIS）等［1］，單一的使用某種定位系統(tǒng)在性能上都存在著局限性，難以滿足船舶航行的可靠性要求，對自主性、可靠性以及精度性要求高的船舶導(dǎo)航應(yīng)用場合，尤其是軍用場合，需要定位系統(tǒng)可以運(yùn)用現(xiàn)代信息融合技術(shù)充分利用船載多種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和信息集成，以獲得更高的定位精度和可靠性。

文章研究設(shè)計(jì)了基于電子海圖的多傳感器組合定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電子海圖系統(tǒng)為平臺，優(yōu)化配置船載多種傳感器設(shè)備，采用GPS和DR組合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船舶的可靠性定位。利用信息融合技術(shù)綜合處理傳感器數(shù)據(jù)，得到船舶最佳的定位信息，通過電子海圖實(shí)時動態(tài)地顯示船舶的綜合航行態(tài)勢，從而構(gòu)成高可靠性、多功能的船舶組合定位系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和基本工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)實(shí)時采集船載傳感器的報(bào)文并進(jìn)行解析，利用融合策略處理各類定位數(shù)據(jù)，以電子海圖作為定位、監(jiān)控和指揮的平臺，在電子海圖上實(shí)現(xiàn)了對航行中船舶的精確定位和對船載多傳感器的可視化管理，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，傳感器管理模塊管理多源異質(zhì)的傳感器，所謂多源異質(zhì)是指數(shù)據(jù)來源于多個不同類型的傳感器［2］，該模塊實(shí)現(xiàn)了將船載多源異質(zhì)傳感器接入系統(tǒng)進(jìn)行串口綁定并實(shí)現(xiàn)分類管理的功能；傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對各個傳感器報(bào)文的接收以及預(yù)處理，通過對報(bào)文進(jìn)行解析，剔除不完整數(shù)據(jù)，保留有效的數(shù)據(jù)；航跡推算模塊主要是用推算算法進(jìn)行下一時刻的船位推算；定位數(shù)據(jù)組合處理模塊是組合定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是將多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)通過融合策略將它們?nèi)诤系揭黄?，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性；電子海圖系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的顯示平臺，主要是實(shí)時更新當(dāng)前船舶的態(tài)勢，并對各類設(shè)備的狀態(tài)、定位數(shù)據(jù)以及船舶航行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，做出相應(yīng)的告警提示，提醒操作人員注意。

2.2 定位原理

DGPS以及GPS定位系統(tǒng)具有全球全天候高精度連續(xù)定位能力，以及操作使用方便、自動化程度高、可靠性高和費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)［3］，但是其信號容易受到其他信號的干擾以及衛(wèi)星星歷誤差和衛(wèi)星信號延遲的影響［4］。所以本系統(tǒng)使用以DGPS為首的位置傳感器作為主用定位設(shè)備。在其出現(xiàn)設(shè)備故障或者數(shù)據(jù)無效的情況下，系統(tǒng)主動采用其他船用傳感器如羅經(jīng)（GYRO）、計(jì)程儀（LOG）等的定位定向數(shù)據(jù)或者人工觀測的定位定向數(shù)據(jù)，使用船位推算（Dead reckoning，簡稱DR）進(jìn)行輔助定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性定位。

DR作為一種先進(jìn)的自主式定位方法，其實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的原理卻是比較簡單的：以起航點(diǎn)或觀測船位為推算起始點(diǎn)，根據(jù)船舶最基本的航海儀器（GYRO和LOG）所指示的航向、航程以及船舶的操縱要素和風(fēng)流要素等，在不借助外界導(dǎo)航物標(biāo)的條件下，推算出具有一定精度的航跡和船位［5］，在2D平面內(nèi)，其推算方程［5］如式（1）所示。

式中，X0、Y0表示推算起點(diǎn)的位置，Si表示Ti－1時刻到Ti時刻船舶行使距離，θi表示Ti－1時刻到Ti時刻船舶行使航跡向，TC表示真航向，γ表示風(fēng)流壓差，它等于風(fēng)壓差與流壓差的代數(shù)和。

由式（1）可以看出，雖然DR可以完全自主的進(jìn)行定位，但是定位精度都取決于傳感器的測量精度，當(dāng)航向信息的精度較差時，DR推算出來的船舶航跡將很快地偏離實(shí)際行使的軌跡；而且隨著時間的推移，測量誤差以及計(jì)算誤差將會遞增，精確度從而也呈現(xiàn)出遞減趨勢，因此，單獨(dú)的船位推算系統(tǒng)不宜進(jìn)行長時間的單獨(dú)定位。

系統(tǒng)利用GPS具有長時間絕對定位的穩(wěn)定性，而DR具有短時間相對定位的穩(wěn)定性的特點(diǎn)，一方面當(dāng)GPS觀測衛(wèi)星數(shù)較多、衛(wèi)星幾何分布結(jié)構(gòu)較好時工作于GPS模式，同時利用GPS精確的定位結(jié)果輔助DR的初始化；另一方面，一旦GPS出現(xiàn)設(shè)備故障或者定位數(shù)據(jù)無效時，系統(tǒng)又可以自動地切換到DR導(dǎo)航方式，直至GPS恢復(fù)正常狀態(tài)。采用這種組合定位方式可以大大提高導(dǎo)航的安全性和系統(tǒng)的可靠性。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)初始化模塊、串行通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)組合處理模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊等幾部分組成。在實(shí)現(xiàn)過程中，需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)，例如多源異質(zhì)傳感器的管理，以及定位信息的解析以及組合處理等。本文就以下兩方面對系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過程做出論述。

3.1 多傳感器管理

通常情況下，船上一般都載有多個定位用傳感器設(shè)備，如何管理這些傳感器資源，最大化其利用率以更好的為導(dǎo)航服務(wù)，具有重要的意義。系統(tǒng)將各種定位相關(guān)傳感器設(shè)備按其用途來劃分，分為以下四大類，分別是：

1）位置源傳感器：能夠提供本船定位信息（包括地理位置、航速航向等信息）的傳感器，比如Loran-C、GPS、DGPS等。

2）航速源傳感器：能夠提供本船航速信息的傳感器，比如LOG。

3）航向源傳感器：能夠提供本船航向信息的傳感器，比如GYRO。

4）其它類傳感器：不直接提供本船航速航向或者位置信息，但在本船定位過程中要參考價(jià)值的傳感器，例如測深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等。

為了實(shí)現(xiàn)可靠性定位，對位置源傳感器、航速源傳感器、以及航向源傳感器進(jìn)行雙配置，形成冗余備份。在這幾類設(shè)備接入系統(tǒng)的同時進(jìn)行優(yōu)先級指定，規(guī)定它們中只能有一個主用設(shè)備，另外一個作為備用設(shè)備，在主用設(shè)備完好的情況下，系統(tǒng)采用主用設(shè)備的輸出進(jìn)行本船定位，同時根據(jù)兩個設(shè)備的精度，設(shè)定一個閾值，該閾值用于監(jiān)測主備用設(shè)備的輸出值差異，當(dāng)主備用設(shè)備輸出差異大于設(shè)定的閾值時，提醒操作人員注意，以此來監(jiān)測兩個設(shè)備是否工作在正常狀態(tài)，當(dāng)確定主用設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以提高備用設(shè)備的優(yōu)先級，從備用改為主用。

3.2 數(shù)據(jù)處理過程

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能在同一時間會收到來自多個傳感器的多條報(bào)文，對于數(shù)據(jù)的采集和解析是影響整個系統(tǒng)效率和可靠性的重要因素。根據(jù)國際電工委員會制定的IEC61162-1協(xié)議，在程序中定義個11個與常用定位相關(guān)語句相對應(yīng)的語句結(jié)構(gòu)體，語句歸納詳見表1所示。串口接收線程將獲取到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議提取，保留符合標(biāo)準(zhǔn)的完整語句，拋棄不完整的語句；信息解析線程將這些語句解析后分類放入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體內(nèi)；數(shù)據(jù)融合處理線程對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后分發(fā)給界面以及外部設(shè)備。

表1 定位相關(guān)語句

信號在傳輸和接收過程中不可避免的要受到噪聲的干擾或污染，在量測過程中也不可避免的要引入一定的量測噪聲，這些都使模型的定位精度降低，為了提供船舶的定位精度，系統(tǒng)采用了Kalman濾波算法，對所有可操作的定位傳感器提供的位置信息進(jìn)行濾波處理，為本船提供平滑過渡的位置信息。同時將此信息連同航速航向信息，更新DR模塊的本船的定位信息，以作備用。

數(shù)據(jù)處理過程自動識別傳感器是否工作在正常狀態(tài)，若均工作在正常狀態(tài)，則進(jìn)行融合，若其中某個傳感器暫時失效，則拋棄其受污染的數(shù)據(jù)，依照一系列判斷邏輯，采用可用的且精度最高的傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行船舶定位，來提高系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的精確性和整個系統(tǒng)的健壯性。其中，位置信息自動識別過程如圖2所示。

圖2位置信息自動識別過程邏輯框圖

航速航向信息的自動識別過程如圖3所示，DGPS、GPS所獲取的對地航速、對地航向具有最高的優(yōu)先級，當(dāng)這兩類傳感器無效的時候，次之選擇LOG提供的對地航速航向，如果LOG也無效，則先選擇采用人工設(shè)置的設(shè)置的航速、航向，最低優(yōu)先級采用LOG提供的對水航速以及GYRO提供的本船航向信息。

圖3航速航向信息自動識別過程邏輯框圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用綜合船橋通導(dǎo)設(shè)備集成模擬器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)配備兩個GPS，兩個LOG，兩個GYRO，噪音比率統(tǒng)一設(shè)置為5%。設(shè)計(jì)一條計(jì)劃航路，確定14個參考點(diǎn)，以檢驗(yàn)組合定位系統(tǒng)的精度，航路起始點(diǎn)位置為北緯29°57′36″，西經(jīng)121°59′57″，終止點(diǎn)位置為北緯29°39′56″，西經(jīng)122°34′45″，全長39.20海里。

圖4 定位設(shè)備完好情況下系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)

圖5 GPS失效情況下使用LOG、GYRO進(jìn)行DR定位誤差統(tǒng)計(jì)

圖6 定位設(shè)備失效時使用人工輸入進(jìn)行DR定位誤差統(tǒng)計(jì)

圖7 定位設(shè)備失效時利用慣性DR定位誤差統(tǒng)計(jì)

采集四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)四種定位模式：1）模式為GPS、LOG、GYRO都正常工作，組合定位系統(tǒng)經(jīng)緯度誤差見圖4所示；2）為定位過程中有幾段時間內(nèi)GPS工作失效，進(jìn)行DR定位，推算用數(shù)據(jù)由LOG、GYRO提供，組合定位系統(tǒng)經(jīng)緯度誤差見圖5所示；3）為定位過程中一段時間以后GPS、LOG、GYRO相繼失效，進(jìn)行DR定位，推算用數(shù)據(jù)由人工調(diào)整輸入提供，組合定位系統(tǒng)經(jīng)緯度誤差見圖6所示；4）為定位過程中一段時間內(nèi)GPS、LOG、GYRO相繼失效，根據(jù)慣性定律，進(jìn)行DR定位，推算用數(shù)據(jù)采用定位設(shè)備最新更新的船舶定位數(shù)據(jù)，組合定位系統(tǒng)定位經(jīng)緯度誤差見圖7所示。

由圖4可知，定位設(shè)備完好的情況下，系統(tǒng)誤差最低，在圖5、圖6以及圖7中，波峰所在的位置即為定位設(shè)備失效以后一段時間，由圖可知，GPS具有最高的定位性能；LOG、GYRO由于不提供位置數(shù)據(jù)，所以只能減緩GPS失效時組合定位系統(tǒng)誤差的發(fā)散；人工輸入DR用推算起點(diǎn)、航速航向，因主觀差異性比較大，定位誤差的浮動比較大，與操作者的個人經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系；而依據(jù)設(shè)備失效時所得的最新的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性推算定位，在短期內(nèi)能保持系統(tǒng)的定位精度，但是隨著時間的推進(jìn)，誤差會遞增，當(dāng)GPS再次可用時，位置誤差才可以得到校正。所以，在實(shí)際使用中，根據(jù)特定情況，不同組合定位方式的快速切換，可以在一定程度上保障航行的安全，同時為設(shè)備維修爭取了時間。

5 結(jié)語

該組合定位系統(tǒng)將船載多種定位傳感器如GPS、DGPS、LOG、GYRO等同電子海圖，船位推算有機(jī)地結(jié)合起來，充分利用了GPS和DR的互補(bǔ)作用。論文詳細(xì)介紹了定位系統(tǒng)的基本原理以及實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，比較了系統(tǒng)提供的四種定位模式下的定位精度，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)思路的簡單可行性以及該組合定位系統(tǒng)能一定程度上提高航行的可靠性和精度。

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